CN103398959B - 一种作物冠层反射光谱测量中主动光源有效辐照区域测定装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种作物冠层反射光谱测量中主动光源有效辐照区域测定装置及方法，它包括测量支架、滑槽、两灰度板和安装盒，所述的支架分为上下两层，滑槽安装在支架的下层，两灰度板分别安装在滑槽的左右侧，能够在水平方向上自由滑动，安装盒设置于支架的上层，用于安装冠层反射光谱测量装置，所述的安装盒的安装位置处于测量支架平面投影的中心。本发明的目的是建立确定主动光源式冠层反射光谱测量装置主动光源有效辐照区域的方法，通过建立有效辐照区域与冠层反射光谱响应之间的定量数学关系，提供了一种实验测定装置和实验测定方法，为主动光源式冠层反射光谱测量装置测量数据的有效性提供了一种评价依据。

Description

一种作物冠层反射光谱测量中主动光源有效辐照区域测定装置及方法

技术领域

本发明涉及几何光学、无损检测和光谱测量等技术领域，尤其是通过冠层漫反射光谱分布特征研究，建立了主动光源有效辐照区域和光谱响应特征之间的关系，具体地说是建立了主动光源有效辐照区域以及光谱响应特征之间定量数学关系的方法，即一种作物冠层反射光谱测量中主动光源有效辐照区域测定装置及方法。

背景技术

目前，利用作物冠层漫反射光谱获取作物生长信息是农业信息领域的重要研究方向，国内外学者对漫反射光谱和相关作物生长信息之间的机理关系已经有了十分深入和广泛的研究，大量研究表明：利用冠层光谱分析技术可以有效实现作物生长特征和植株营养状况的动态监测，其中差值植被指数、归一化植被指数和比值植被指数等光谱指数被广泛应用于植物叶面积指数、干物质生产、叶片氮含量和氮积累量、叶片碳氮比和产量估测，相比于传统的物理和生化方法研究作物的营养状况，冠层光谱分析技术具有快速、便携、无损、不受时空限制等突出优点，是农业信息化领域迫切需要的技术手段。

采用冠层反射光谱传感技术来获取作物的生长信息指标是当前该领域研究的热点和重要手段，该类技术的实现形式主要有两种：被动光源式和主动光源式。主动光源式仪器自带能发射特定波长的光源，能消除外部光环境的影响，可以在任何天气条件和自然光照条件下使用，主动光源式仪器是目前的主流形式。

主动光源的辐照区域大小是该类测量仪器的一个重要设计参数，为了消除作物冠层个体特性差异对测量结果带来的影响，使测量结果尽可能体现冠层的群体特性，理论上讲，辐照区域越大测量效果越佳。然而，辐照区域越大，势必要增大辐射角度或增大辐照强度，前者使反射强度降低，检测困难；后者增加能耗，使测量仪器不易实现便携式测量。因此，越大的辐照区域在工程实现上越难；同时，理论上很难做到辐照区域内辐照强度均匀分布，很难通过理论计算获取辐照区域内各子区域对测量结果的贡献量，因此，也很难确定理论设计的最大辐照区域是否全部有效。目前，从国内外的文献资料来看，尚未有相关文献专门研究有效辐照区域的问题。

发明内容

本发明的目的是建立确定主动光源式冠层反射光谱测量装置主动光源有效辐照区域的方法，通过建立有效辐照区域与冠层反射光谱响应之间的定量数学关系，提供了一种实验测定装置和实验测定方法，为主动光源式冠层反射光谱测量装置测量数据的有效性提供了一种评价依据。

本发明的技术方案是：

一种作物冠层反射光谱测量中主动光源有效辐照区域测定装置，它包括测量支架（1）、滑槽（2）、两灰度板（3）和安装盒（4），所述的支架（1）分为上下两层，滑槽（2）安装在支架（1）的下层，两灰度板（3）分别安装在滑槽（2）的左右侧，能够在水平方向上自由滑动，安装盒（4）设置于支架（1）的上层，用于安装冠层反射光谱测量装置（5），所述的安装盒（4）的安装位置处于测量支架（1）平面投影的中心。（冠层反射光谱测量装置（5）可采用申请人2013年5月31申请的“一种主动光源式作物冠层反射光谱测量装置及其方法”，专利号为：201310180901.9）

本发明的测量支架（1）包括若干个连接杆，各连接杆件之间通过螺栓铰链，测量支架（1）的长宽高尺寸分别为200cm、40cm、150cm；测量支架（1）的连接杆分为四个立杆和三个用于固定安装盒（4）的横向杆，各立杆均以5cm为间隔均匀分布多个安装孔，便于调节上下两层的安装盒（4）和滑槽（2）的高度。

本发明的灰度板（3）是由相对标准白板而言，反射率小于5%的漫反射灰度材料制作而成，所述的漫反射灰度材料为黑色棉布。

一种作物冠层反射光谱测量中主动光源有效辐照区域测定方法，应用作物冠层反射光谱测量中主动光源有效辐照区域测定装置，它包括以下步骤：

（A-1）、将左右两侧的两灰度板（3）相向移动至滑槽中间处闭合，在灰度板（3）的下方放置标准白板，将冠层反射光谱测量装置（5）放置在安装盒（4）中，设定安装盒（4）距离灰度板（3）所在平面的距离为H，记录此时反射光谱测量装置（5）的响应电压值b₀；

（A-2）、将左右两块灰度板（3）自中心处向两侧移动相同的距离S，使标准白板暴露2S长度的区域，记录下此时反射光谱测量装置（5）的电压响应值b₁，再次将两灰度板（3）向外移动相同的距离S，使标准白板暴露4S长度的区域，记录反射光谱测量装置的电压响应值b₂，重复上述过程，n次后直至灰度板（3）全部移出滑槽（2），将所测得电压响应值分别记为：b₁，b₂，…，b_n；

（A-3）、将灰度板（3）下方的标准白板置换成作物冠层，重复（A-2）所述的过程，将测得的相应数据分别记为：c₁，c₂，…，c_n；

（A-4）、将（A-1）～（A-3）所记录的数据根据以下公式计算，可分别得到作物冠层各分块区域的反射率，分块区域是指灰度板每移动一次新暴露出来的作物冠层区域：

$R_1=\frac{c_1-b_0}{b_1-b_0};$

$R_i=\frac{c_i-c_{i-1}}{b_i-b_{i-1}},$ 2≤i≤n；

$R=\frac{c_n}{b_n};$

其中，R₁表示灰度板从中心第1次外移时暴露出来的冠层区域的反射率、R_i表示灰度板第2次至第那外移时逐次暴露出来的冠层区域的反射率、R表示在无灰度板遮挡时，使用作物冠层反射光谱测量装置直接测量所得的作物冠层的反射率；

计算R_i与R的比值，记为α_i：

${\mathrm{\α}}_i=\frac{R_i}{R},$ 1≤i≤n；

将得到的n个α_i的值按顺序从少到多进行组合，得到n个数列，形如{α₁}，{α₁,α₂},{α₁,α₂,α₃},……，{α₁,α₂,…,α_n}；

计算出每个数列的平均值与1之间的绝对偏差K_j，K_j按下式计算：

$K_j=|\frac{\underset{i=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i}{j}-1|,$ j=1，2，…，n；

找出{K_j}中的最小值K_m及相应的编号m，K_m在理想情况下为零，即：

K_m=min({K_j})

则m×2S便是冠层反射测量装置的主动光源在测量高度为H时辐照区域在长度方向的最大有效距离；

由此可以计算出主动光源在长度方向上的有效发射角β（6），

$\mathrm{\β}=2{\tan }^{-1}\left(\frac{\mathrm{mS}}{H}\right)$

其中：m为{K_j}中的最小值K_m对应的编号；S为灰度板（3）自中心处向两侧移动相同的距离；H为安装盒（4）距离作物冠层所在平面的距离；

当设定安装盒（4）距离作物冠层所在平面的距离H改变时，根据上述公式即可得到主动光源在长度方向上的有效发射角，以该角度照射时，得到辐照区域内的最大有效距离。

宽度方向的有效发射角（7）可仿照(A-1)～(A-4)所示的测量步骤进行测定，只是需要将测量装置做出相应的修改，即改变灰度板的移动方向。主动光源的辐照设计区域为矩形光照区域，其在宽度方向的尺寸远小于长度方向的尺寸，实际测量中，所测得的宽度方向有效发射角与理论计算结果基本相同，一般无需测定，除非理论设计时宽度方向的发射角较大或与长度方向的发射角相近。

本发明的有益效果：

本发明提出了一种作物冠层反射光谱测量中主动光源有效辐照区域测定的实验装置，并建立了一套通过实验测量数据定量描述主动光源有效辐照区域的测定方法。

本发明建立一种主动光源有效辐照区域与辐照区域内反射光谱响应特征之间的定量数学关系，为测定主动光源有效辐照区域提供了理论参考依据。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是主动光源有效照射区域原理图。

图中：1测量支架；2滑槽；3灰度板；4安装盒；5冠层反射光谱测量装置；6主动光源长度方向发射角；7主动光源宽度方向发射角

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种作物冠层反射光谱测量中主动光源有效辐照区域测定装置及方法，其具体实施方案为：

1主动光源有效辐照区域测定装置

测量装置总体呈立方体形式，由测量支架（1）、滑槽（2）、灰度板（3）和安装盒（4）构成，其中灰度板（3）分为尺寸相同的左右两块，安装在滑槽（2）内可以左右移动，组成测量支架（1）的所有连接杆件之间通过螺栓铰链，测量支架（1）组装后的整体长宽高尺寸分别为200cm、40cm、150cm。

测量支架（1）的4个立杆上以5cm为间隔均匀分布多个安装孔，便于调节滑槽（2）和安装盒（4）的高度。

安装盒（4）是用来放置冠层反射光谱测量装置（5），其安装位置处于测量支架（1）平面投影的中心。（冠层反射光谱测量装置（5）可采用申请人2013年5月31申请的“一种主动光源式作物冠层反射光谱测量装置及其方法”，专利号为：201310180901.9）

灰度板（3）是由反射率小于5%（相对标准白板而言）的双层黑色棉布材料制作。

（2）主动光源有效辐照区域测定方法

参照图2，主动光源的有效辐照区域可以通过测定主动光源长度方向发射角（6）和宽度方向发射角（7）两个参数加以表征。

测定主动光源有效辐照区域的方法和步骤：

（A-1）、将左右两侧的两灰度板（3）相向移动至滑槽中间处闭合，在灰度板（3）的下方放置标准白板，将冠层反射光谱测量装置（5）放置在安装盒（4）中，设定安装盒（4）距离灰度板（3）所在平面的距离为H，记录此时反射光谱测量装置（5）的响应电压值b₀；

（A-2）、将左右两块灰度板（3）自中心处向两侧移动相同的距离S，使标准白板暴露2S长度的区域，记录下此时反射光谱测量装置（5）的电压响应值b₁，再次将两灰度板（3）向外移动相同的距离S，使标准白板暴露4S长度的区域，记录反射光谱测量装置的电压响应值b₂，重复上述过程，n次后直至灰度板（3）全部移出滑槽（2），将所测得电压响应值分别记为：b₁，b₂，…，b_n；

（A-3）、将灰度板（3）下方的标准白板置换成作物冠层，重复（A-2）所述的过程，将测得的相应数据分别记为：c₁，c₂，…，c_n；

（A-4）、将（A-1）～（A-3）所记录的数据根据以下公式计算，可分别得到作物冠层各分块区域的反射率，分块区域是指灰度板每移动一次新暴露出来的作物冠层区域：

$R_1=\frac{c_1-b_0}{b_1-b_0};$

$R_i=\frac{c_i-c_{i-1}}{b_i-b_{i-1}},$ 2≤i≤n；

$R=\frac{c_n}{b_n};$

其中，R₁表示灰度板从中心第1次外移时暴露出来的冠层区域的反射率、R_i表示灰度板第2次至第那外移时逐次暴露出来的冠层区域的反射率、R表示在无灰度板遮挡时，使用作物冠层反射光谱测量装置直接测量所得的作物冠层的反射率；

计算R_i与R的比值，记为α_i：

${\mathrm{\α}}_i=\frac{R_i}{R},$ 1≤i≤n；

将得到的n个α_i的值按顺序从少到多进行组合，得到n个数列，形如{α₁}，{α₁,α₂},{α₁,α₂,α₃},……，{α₁,α₂,…,α_n}；

计算出每个数列的平均值与1之间的绝对偏差K_j，K_j按下式计算：

$K_j=|\frac{\underset{i=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i}{j}-1|,$ j=1，2，…，n；

找出{K_j}中的最小值K_m及相应的编号m，K_m在理想情况下为零，即：

K_m=min({K_j})，此时有下式成立：

$R\≈\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{R}_i}{m}$ （一般情况）或 $R=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{R}_i}{m}$ （理想情况）

则m×2S便是冠层反射测量装置的主动光源在测量高度为H时辐照区域在长度方向的最大有效距离；

由此可以计算出主动光源在长度方向上的有效发射角β（6），

$\mathrm{\β}={2\tan }^{-1}\left(\frac{\mathrm{mS}}{H}\right)$

其中：m为{K_j}中的最小值K_m对应的编号；S为灰度板（3）自中心处向两侧移动相同的距离；H为安装盒（4）距离作物冠层所在平面的距离；

当设定安装盒（4）距离作物冠层所在平面的距离H改变时，根据上述公式即可得到主动光源在长度方向上的有效发射角，以该角度照射时，得到辐照区域内的最大有效距离。

（注：宽度方向的有效发射角（7）可仿照(A-1)～(A-4)所示的测量步骤进行测定，只是需要将测量装置做出相应的修改，即改变灰度板的移动方向。主动光源的辐照设计区域为矩形光照区域，其在宽度方向的尺寸远小于长度方向的尺寸，实际测量中，所测得的宽度方向有效发射角与理论计算结果基本相同，一般无需测定，除非理论设计时宽度方向的发射角较大或与长度方向的发射角相近）。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种作物冠层反射光谱测量中主动光源有效辐照区域测定方法，应用作物冠层反射光谱测量中主动光源有效辐照区域测定装置，它包括测量支架(1)、滑槽(2)、两灰度板(3)和安装盒(4)，所述的支架(1)分为上下两层，滑槽(2)安装在支架(1)的下层，两灰度板(3)分别安装在滑槽(2)的左右侧，能够在水平方向上自由滑动，安装盒(4)设置于支架(1)的上层，用于安装冠层反射光谱测量装置(5)，所述的安装盒(4)的安装位置处于测量支架(1)平面投影的中心；其特征是该方法包括以下步骤：

(A-1)、将左右两侧的两灰度板(3)相向移动至滑槽中间处闭合，在灰度板(3)的下方放置标准白板，将冠层反射光谱测量装置(5)放置在安装盒(4)中，设定安装盒(4)距离灰度板(3)所在平面的距离为H，记录此时反射光谱测量装置(5)的响应电压值b₀；

(A-2)、将左右两块灰度板(3)自中心处向两侧移动相同的距离S，使标准白板暴露2S长度的区域，记录下此时反射光谱测量装置(5)的电压响应值b₁，再次将两灰度板(3)向外移动相同的距离S，使标准白板暴露4S长度的区域，记录反射光谱测量装置的电压响应值b₂，重复上述过程，n次后直至灰度板(3)全部移出滑槽(2)，将所测得电压响应值分别记为：b₁，b₂，…，b_n；

(A-3)、将灰度板(3)下方的标准白板置换成作物冠层，重复(A-2)所述的过程，将测得的相应数据分别记为：c₁，c₂，…，c_n；

(A-4)、将(A-1)～(A-3)所记录的数据根据以下公式计算，可分别得到作物冠层各分块区域的反射率，分块区域是指灰度板每移动一次新暴露出来的作物冠层区域：

$R_1=\frac{c_1-b_0}{b_1-b_0};$

$R_i=\frac{c_i-c_{i-1}}{b_i-b_{i-1}},2\≤i\≤n;$

$R=\frac{c_n}{b_n};$

其中，R₁表示灰度板从中心第1次外移时暴露出来的冠层区域的反射率、R_i表示灰度板第2次至第i次外移时逐次暴露出来的冠层区域的反射率、R表示在无灰度板遮挡时，使用作物冠层反射光谱测量装置直接测量所得的作物冠层的反射率；

计算R_i与R的比值，记为α_i：

${\mathrm{\α}}_i=\frac{R_i}{R},1\≤i\≤n;$

将得到的n个α_i的值按顺序从少到多进行组合，得到n个数列，形如{α₁}，{α₁,α₂},{α₁,α₂,α₃},……，{α₁,α₂,…,α_n}；

计算出每个数列的平均值与1之间的绝对偏差K_j，K_j按下式计算：

$K_j=|\frac{\underset{i=1}{\overset{j}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i}{j}-1|,j=1,2,...,n;$

找出{K_j}中的最小值K_m及相应的编号m，K_m在理想情况下为零，即：

K_m＝min({K_j})

则m×2S便是冠层反射测量装置的主动光源在测量高度为H时辐照区域在长度方向的最大有效距离；

由此可以计算出主动光源在长度方向上的有效发射角β(6)，

$\mathrm{\β}=2{\tan }^{-1}\left(\frac{mS}{H}\right)$

其中：m为{K_j}中的最小值K_m对应的编号；S为灰度板(3)自中心处向两侧移动相同的距离；H为安装盒(4)距离作物冠层所在平面的距离；

当设定安装盒(4)距离作物冠层所在平面的距离H改变时，根据上述公式即可得到主动光源在长度方向上的有效发射角，以该角度照射时，得到辐照区域内的最大有效距离。

2.根据权利要求1所述的作物冠层反射光谱测量中主动光源有效辐照区域测定方法，其特征是所述的测量支架(1)包括若干个连接杆，各连接杆件之间通过螺栓铰链，测量支架(1)的长宽高尺寸分别为200cm、40cm、150cm；测量支架(1)的连接杆分为四个立杆和三个用于固定安装盒(4)的横向杆，各立杆均以5cm为间隔均匀分布多个安装孔，便于调节上下两层的安装盒(4)和滑槽(2)的高度。

3.根据权利要求1所述的作物冠层反射光谱测量中主动光源有效辐照区域测定方法，其特征是所述的灰度板(3)是由相对标准白板而言，反射率小于5％的漫反射灰度材料制作而成，所述的漫反射灰度材料为黑色棉布。